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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen einen Weggeber gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, der zum Messen einer Verschiebung oder der Position eines
Gegenstandes ausgelegt ist.
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Ein derartiger Weggeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in GB-A
2 163 260 gezeigt.
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Beim Betrieb von verschiedenen mechanischen und elektromechanischen
Systemen ist es notwendig, die Position und die Verschiebung entweder von
irgendwelchen Elementen des Systems oder irgendeines Gegenstandes, der nicht Teil des
Systems ist, zu überwachen. Beispielsweise ist es bei Robotersystemen (eine
Technologie, deren Verwendung in einer dramatischen Zunahme begriffen ist) fast
immer notwendig, die Bewegung und Position von verschiedenen Bauteilen des
Systems, wie z.B. eines Armes, von Fingern oder anderen Greifelementen usw. zu
überwachen und zu steuern. Eine solche Überwachung und Steuerung führt zu der
Geschicklichkeit und Präzision, die für ein Robotersystem notwendig sind, um seine
Funktionen auszuführen.
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Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zum Erfassen einer Position und einer
Verschiebung haben meistens eine direkte Verbindung zwischen dem Produkt oder
Gegenstand, dessen Position oder Verschiebung zu überwachen war, und
irgendeiner Art von Anzeiger, Nadel oder anderen Sichtanzeigevorrichtung verwendet. Die
Bewegung des Produktes oder Gegenstandes ruft damit eine entsprechende
Bewegung des Meßgerätes oder der Nadel hervor. Wie erwartet, waren derartige
Vorrichtungen typischerweise sehr groß und umständlich und es mangelte ihnen an
Genauigkeit beim Ausführen der Überwachungsfunktion. Da weiter typischerweise
irgendeine Art von Schleifwirkung eines Teils der Meßvorrichtung beteiligt war, war
Reibung vorhanden, die natürlich zu Abnutzung führte.
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Obwohl in den letzten Jahren elektronische Vorrichtungen zum Messen der
Positionen und Verschiebungen häufiger eingesetzt wurden und wenigstens
teilweise die Probleme in bezug auf die Sperrigkeit und die Ungenauigkeit von
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik gelöst hatten, wiesen solche
Vorrichtungen eine komplizierte Auslegung auf, und als Folge einer solchen
Kompliziertheit mangelte es ihnen im allgemeinen an Zuverlässigkeit. Zudem gab es
auch weiterhin im allgemeinen Kontaktreibung und den begleitenden Verschleiß.
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Weiterer Stand der Technik ist in US-A4 767 973 geoftenbart, wo die Messung der
Position und/oder der Bewegung eines Gegenstandes mit mehreren Freiheitsgraden
beschrieben wird. Das wird beispielsweise dargestellt durch eine Kugel, die sich
näher zu einer Sensorfläche hin oder von ihr weg bewegt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Versetzungs-Sensor nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der weiter für Drehmessungen
ausgelegt ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1.
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Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß sie eine einfache, wirksame und zuverlässige
Vorrichtung zum Messen der Position und der Bewegung eines Bestandteils oder
eines Gegenstandes schafft.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie eine solche Vorrichtung schafft, die
kompakt ist und wenige sich bewegende Teile enthält.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie eine solche Vorrichtung schafft,
welche den Bedarf für gleitende, Reibung erzeugende Bestandteile vermeidet.
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Es ist auch ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie eine solche Vorrichtung
schafft, die zum Einsatz mit Halbleiter-Bauelementen und integrierten Schaltungen
gut geeignet ist.
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Es ist noch ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie eine solche Vorrichtung
schafft, die zumindest zu einem Teil mit Benutzung üblicher Fertigungstechnologie
für integrierte Schaltungen hergestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß benutzt ein Verschiebungs-Meßgerät ein magnetisiertes oder
elektrisch geladenes drehend bewegbares Element, das mit dem Gegenstand
gekoppelt ist, dessen Position zu messen ist, und eine Anordnung von Detektoren
für magnetische oder elektrische Felder, um die Position des Elementes und damit
des Gegenstandes zu erfassen.
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Die vorstehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden bei einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden. In den Zeichnungen
zeigen:
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Fig. 1A, 1B
und 1C jeweils eine perspektivische Ansicht, eine Seitenansicht und eine
perspektivische Bruchteils-Endansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung,
die einen Feldeffekttransistor verwendet und nicht in der vorliegenden
Anmeldung beansprucht wird;
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Fig. 2 eine perspektivische Bruchteus-Endansicht einer
Verschiebungs-Meßvorrichtung, die eine kapazitive Kopplung verwendet;
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
einen magnetischen Feldeffekttransistor mit gespaltenem Drain
verwendet;
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
ein Elektretblatt und einen Feldeffekttransistor verwendet;
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Fig.5 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
den Halleffekt verwendet;
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Fig. 6 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die eine
Kapazitätsveränderung zum Feststellen der Bewegung eines
Gegenstandes verwendet;
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Fig. 7 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die ein
durchgehendes Band zum Messen von zwei Bewegungsfreiheitsgraden eines
Gegenstandes verwendet;
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Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
zwei durchgehende Bänder zum Messen der Bewegung eines
Steuerstiftes verwendet;
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Fig. 9A
und 9B jeweils eine isometrische Ansicht und eine Seitenansicht einer
Drehverschiebungs-Meßvorrichtung, die in der vorliegenden Anmeldung nicht
beansprucht wird;
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Fig. 10A
und 10B jeweils eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht einer
alternativen Ausführungsform einer kontinuierlichen Drehverschiebungs-
Meßvorrichtung, die in der vorliegenden Anmeldung nicht beansprucht
wird;
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Fig. 11 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Messen einer
Drehverschiebung eines Zylinders, die in der vorliegenden Anmeldung nicht
beansprucht wird;
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Fig. 12 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Messen einer Drehverschiebung eines Zylinders;
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Fig. 13 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum Messen
von zwei Freiheitsgraden einer Linearbewegung eines Gegenstandes
und eines weiteren Freiheitsgrades einer Drehbewegung des
Gegenstandes;
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Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum
Erzeugen eines digitalen Ausgabesignals, das die Position und
Bewegung eines Gegenstandes darstellt;
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Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum
Erzeugen von diskreten Ausgabe-Inkrementen in Abhängigkeit von der
Bewegung eines Gegenstandes;
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Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum
Erzeugen eines nichtlinearen Ausgabesignals in Abhängigkeit von der
Bewegung eines Gegenstandes;
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Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
ein linear bewegbares keilförmiges Element verwendet;
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Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Drehverschiebungs-Meßvorrichtung;
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Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Drehverschiebungs-Meßvorrichtung;
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Fig. 20 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
optische Erfassung einsetzt;
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Fig. 21 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
optische Erfassung einsetzt;
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Fig.22 eine Seitenansicht einer weiteren Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
optische Erfassung einsetzt;
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Fig. 23 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die akustische
Erfassung einsetzt;
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Fig. 24 eine graphische Darstellung einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
zum Wiegen verwendet wird;
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Fig. 25 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die für
Temperaturmessungen verwendet wird;
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Fig. 26 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die zum
Messen des Winkels zwischen zwei schwenkbar an ihren Enden
verbundenen Elementen verwendet wird;
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Fig. 27 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die ebenfalls
zum Wiegen verwendet wird;
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Fig. 28 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die zur
Beschleunigungsmessung verwendet wird;
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Fig. 29 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die zur
Geschwindigkeitsmessung verwendet wird;
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Fig. 30 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
eine elektrische Widerstandsveränderung zum Feststellen der Bewegung
eines Gegenstandes verwendet;
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Fig. 31 eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
die Veränderung eines elektrischen Widerstandes zum Feststellen der
Bewegung eines Gegenstandes verwendet; und
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Fig. 32 eine Seitenansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die unter
anderem zum Messen von Beschleunigung und anderen eine Kraft
erzeugenden Phänomenen verwendet wird.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen:
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Zur Erklärung des Meßprinzips werden nachfolgend einige in dieser Anmeldung
nicht beanspruchte Geräte beschrieben. Bezugnehmend auf die Fig. 1A, 1B und 1C
wird eine beispielhafte Ausführungsform eines bandgesteuerten Wandlers oder
Sensors zum Messen von zwei Bewegungsfreiheitsgraden eines Gegenstandes 4
gezeigt. Der Gegenstand 4 (der in den Fig. 1A bis 1C einfach in Form einer Platte
dargestellt ist) kann jegliche Gestalt oder Form einnehmen und kann ein Teil eines
Robotersystems oder eines anderen mechanischem Aufbaus sein, bei dem die
Position und Bewegung des Teils zu bestimmen ist. Der Gegenstand 4 ist mit
einem Ende eines länglichen, flexiblen, elektrisch leitfähigen Bandes 8 verbunden.
Das andere Ende des Bandes 8 ist über einen geeigneten Klebstoff, einen Stift
oder ein anderes Befestigungsmittel an einem Ende eines Substrates 12 befestigt,
das beispielsweise aus Silizium hergestellt ist und eine obere, im allgemeinen
planare Oberfläche aufweist, auf der die Betriebsteile eines Sensors zum Messen
der Position des Bandes 8 angeordnet sind. Das Band 8 ist mit einer
Spannungsquelle 16 gekoppelt, um zu ermöglichen, daß es ein elektrisches Feld erzeugt.
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Auf der oberen Fläche des Substrates 12 ist ein Feldeffekttransistor (FET) 20
angeordnet und ausgebildet, der beispielsweise durch herkömmliche
Mikrofabrikationsverfahren hergestellt sein kann. Der FET 20 ist ein bekanntes
Halbleiter-Bauelement und enthält einen leitfähigen Sourcebereich 24, der in dem Substrat 12
ausgebildet ist, einen leitfähigen Drainbereich 28, der mit Abstand zu dem
Sourcebereich und im allgemeinen parallel dazu ausgebildet ist, und einen leitfähigen
Kanalbereich 32, der zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich
angeordnet ist. Eine Isolationsschicht 36 ist über der oberen Oberfläche des Substrates 12
und über den Source-, Drain- und Kanalbereichen 24, 28 und 32 angeordnet.
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Der Sourcebereich 24 und der Drainbereich 28 werden mittels einer
Spannungsquelle 34 auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten, so daß ein
elektrischer Stromfluß zwischen den Bereichen durch den Kanal 32 bewirkt wird.
Die Leitfähigkeit des Kanals 32 wird durch elektrische Ladungen (oder ein
elektrisches Feld) beeinflußt, die in enger Nähe zu dem Kanalbereich angeordnet sind.
Somit wird ein Überrollen und Wegrollen des Bandes 8 über der Isolationsschicht
36, um selektiv den FET 20 zu bedecken und abzudecken, die Stärke des
elektrischen Stroms verändern, der durch den Kanalbereich 32 geleitet und durch ein
Meßgerät (Amperemeter) 38 festgestellt wird. Das Band 8 wirkt effektiv als das
Gate des FET 20, um den elektrischen Stromfluß zwischen dem Sourcebereich 24
und dem Drainbereich 28 zu steuern. Ein Messen dieses Stromflusses kann somit
ein Maß für das Überrollen und Wegrollen des Bandes 8 und somit ein Maß für die
Position und Bewegung des Gegenstandes 4 schaffen. Eine weitere Erörterung der
Betriebsweise von FETs kann in dem am 20. August 1988 erteilten U.S. Patent Nr.
4 767 973 gefunden werden.
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Das Band 8 kann aus jeglichem geeignetem flexiblem, elektrisch leitfähigem
Material, wie z.B. einer Kupferfolie, einer Aluminiumfolie, einem metallisierten
Polymerfilm, metallisiertem Quarz, metallisiertem dünnem Silizium, etc. aufgebaut
sein. Vorteilhafterweise ist das Band 8 in der Art ausgebildet, daß seine seitlichen
Kanten sich leicht nach unten gegen das Substrat 12 krümmen (wenn es über dem
Substrat liegt), so daß das Band über die Isolationsschicht 12 überrollt und von
dieser abrollt auf gleichmäßige, nicht gleitende Weise, um eine Berührung mit der
Isolationsschicht aufrechtzuerhalten. Eine elektrostatische Anziehung kann ebenfalls
verwendet werden, um das Band 8 eng an der Isolationsschicht 12 zu halten. Das
Band 8 und das Substrat 12 mit den Bauelementteilen können unter Verwendung
von Mikrofabrikationsverfahren riergestellt werden. Beispielsweise könnte das Band
8 durch Sputterablagerung über dem Substrat 12 gebildet werden und dann durch
Fotolithographie geätzt werden, um die gewünschte Form und Größe zu
bestimmen. Ein Ätzmittel könnte ebenfalls dazu verwendet werden, um einen Teilbereich
des Bandes von dem Substrat abzulösen und zu ermöglichen, daß es sich von dem
Substrat wegkrümmt.
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Eine Alternative zu der Verwendung eines leitfähigen Bandes 8, das mit einer
Spannungsquelle 16 verbunden ist, besteht darin, ein Band aus einem Material zu
verwenden, das positive oder negative Ladungen enthält. Beispielsweise könnte
das Band 8 zur Veranschaulichung aus flexiblem Polytetrafluorethylen mit darin
implantierten Elektronen gebildet sein.
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Eine weitere Alternative zu der Ausführungsform nach den Fig. 1A bis 1C bestünde
darin, eine Schicht aus leitfähigem Material zwischen der Isolationsschicht 36 und
dem Substrat 12 einzubauen, und dann den FET 20 entfernt von dem
Kontaktbereich mit dem Band 8 anzuordnen. Diese leitfähige Schicht oder dieses Gate wären
elektrisch mit dem Gate des entfernt gelegenen FET gekoppelt, so daß ein Rollen
des Bandes 8 über der Isolationsschicht 36 eine elektrische Ladung auf der
Oberfläche der unter dem Isolationsstreifen 36 gelegenen leitfähigen Schicht induzieren
würde, und diese elektrische Ladung würde sich in dem Gate des entfernt
gelegenen FET widerspiegeln und die Leitfähigkeit des Kanalbereichs des FETs
beeinflussen. Eine Messung für die Nähe des Bandes 8 über der Isolationsschicht 36
könnte dann ausgeführt werden, und somit könnte die Position und Bewegung des
Gegenstandes 4 gemessen werden.
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Die Fig. 2 zeigt eine alternative Äusführungsform einer bandgesteuerten
Verschiebungs-Meßvorrichtung, die eine kapazitive Kopplung in Verbindung mit einem
FET verwendet. In dieser Ausführungsform trägt ein Substrat 40 die Source-,
Kanalund Drainbereiche eines FET 44 an der oberen Oberfläche und in der Nähe einer
Seite des Substrates (ähnlich der Ausführungsform nach den Fig. 1A bis 1C) und
einen leitfähigen Matenalstreifen 48, der im allgemeinen parallel zu den Source-,
Drain- und Kanalbereichen des FET 44 in der Nähe der anderen Seite des
Substrates angeordnet ist. Mit dem leitfähigen Streifen 48 ist eine elektrische
Wechselspannungsquelle
52 gekoppelt. Eine dielektrische Materlalschicht 56 ist auf der
oberen Oberfläche des Substrates 40 und über dem FET 44 und dem leitfähigen
Streifen 48 angeordnet. Ein flexibles, elektrisch isoliertes, leitfähiges Band 60 ist
dann so angeordnet, daß es über der dielektrischen Schicht 56 überrollt und von
dieser abrollt, wenn ein Gegenstand oder Bauteil, das mit dem Band gekoppelt ist,
in Bewegung gesetzt wird.
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Das durch die Spannungsquelle 52 an den leitfähigen Streifen 48 bereitgestellte
Signal führt zu einer Kapazität zwischen dem leitfähigen Streifen und dem Band 60,
und diese Kapazität führt natürlich zu der Ausbildung einer Ladung auf dem Band,
wobei diese Ladung die Leitfähigkeit des Kanalbereichs des FET 44 beeinflußt.
Wenn das Band 60 übergerollt und abgerollt wird von der dielektrischen Schicht 56,
wird verursacht, daß sich die Kapazität ändert, wodurch der Einfluß auf den FET 44
und die Leitfähigkeit von dessen Kanalbereich verändert wird. Wie bei der
Ausführungsform nach den Fig. 1A bis 1C kann die Änderung in der Leitfähigkeit des
Kanalbereichs als eine Bestimmung für die Bewegung und Position des Bandes 16
und somit eines mit dem Band gekoppelten Gegenstandes oder Bauteils verwendet
werden.
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Die Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung,
die einen magnetischen Feldeffekttransistor mit aufgespaltenem Drain (MAGFET)
64 verwendet. Der MAGFET 64 ist auf der oberen Oberfläche eines Substrates 68
ausgebildet und enthält einen Sourcebereich 72, der mit einer Gleichstromquelle 76
verbunden ist, zwei Drainbereiche 80 und 84 und einen leitfähigen Kanalbereich 88,
der zwischen dem Sourcebereich und den beiden Drainbereichen angeordnet ist.
Ein flexibles magnetisierbares Band 92 ist auf dem Substrat 68 so angeordnet, daß
es selektiv den Kanalbereich 88 überdeckt oder freilegt. Eine Isolationsschicht 96
könnte, muß jedoch nicht notwendigerweise, über dem MAGFET 64 und unter dem
Band 92 angeordnet sein.
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Bei Abwesenheit eines auf dem Kanalbereich 88 auftreffenden magnetischen
Feldes fließt ein Strom von dem Sourcebereich 72 durch den Kanalbereich 88 in
gleichem Maße zu den beiden Drainbereichen 80 und 84. Wenn ein Magnetfeld
vorhanden ist, wie es auftritt, wenn das magnetisierte Band 92 wenigstens teilweise
über dem Kanalbereich 88 liegt, wird der Strom durch den Kanalbereich so
abgelenkt, daß er mehr zu dem einem Drainbereich als zu dem anderen
Drainbereich fließt, wobei die Stärke der Ablenkung und somit die Unausgewogenheit des
zu den beiden Drainbereichen fließenden Stroms von der Intensität des
Magnetfeldes abhängt. Diese Intensität wird natürlich davon abhängen, welcher Abschnitt
des Kanalbereichs 88 von dem Band 92 bedeckt ist, und somit kann durch
Messung der Stromunausgewogenheit in den beiden Drainbereichen 80 und 84 eine
Messung der Verschiebung des Bandes und somit eines Gegenstandes, mit dem
das Band gekoppelt ist, ausgeführt werden. Das Band 92 könnte zur
Veranschaulichung aus einem dünnen Film aus Alnikolegierung (Aluminium, Nickel, Kobalt und
manchmal Kupfer), einer Legierung aus Nickel und Kobalt, Samariumkobalt,
Eisenoxiden, Eisenchrom, Chromdioxid, etc., die geeignet magnetisiert sind, hergestellt
sein.
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Die Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
ein Blatt 100 aus einem Elektretmaterial verwendet, in dem Elektronen implantiert
oder angeordnet sind. Das Elektretblatt 100 ist über dem Substrat 104 angeordnet
und mit diesem verbunden, in dem ein FET 112 auf ähnliche Weise ausgebildet ist,
wie es für die Fig. 1A bis 1C beschrieben wurde. Ein flexibles leitfähiges Band 108
ist so angeordnet, daß es sich über das Elektretblatt 100 bewegt und dieses
überdeckt und sich von diesem wegbewegt und dieses freilegt. Das Band 108 ist an
einem Ende an dem Elektretblatt 100 angebracht, und es ist mit einem
Massepotential 116 gekoppelt. Das andere Ende des Bandes 108 ist mit einem Gegenstand
oder einem Element verbunden, dessen Position zu messen ist.
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Die Vorrichtung nach der Fig. 4 arbeitet unter Verwendung eines "kapazitiven
Aufteilungs-" Effektes, bei dem das von dem Elektretblatt 100 erzeugte elektrische
Feld gleichmäßig nach außen von dem Blatt gerichtet ist, wenn das Band 108 sich
nicht in enger Nähe befindet, und gegen das Band gerichtet ist, wenn das Band
sich in enger Nähe befindet. Somit wird das elektrische Feld des Elektretblattes 100
gegen den FET 112 gerichtet, wodurch die Leitfähigkeit von dessen Kanalbereich
beeinflußt wird, wenn das Band 108 von dem Blatt weggekrümmt ist, und es wird
von dem FET 112 weg und gegen das Band 108 gerichtet, wenn das Band in einer
Position über dem Blatt liegt. Somit ist die Leitfähigkeit des Kanalbereiches des
FET 112 durch das Verhältnis bestimmt, unter dem das Elektretblatt 112 von dem
Band 108 abgedeckt ist. In schon beschriebener Weise könnte somit die
Vorrichtung nach der Fig. 4 verwendet werden, um die Bewegung und Position eines
Gegenstandes zu messen.
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Das Elektretblatt 100 könnte zur Veranschaulichung aus mit Elektronen
aufgeladenem Polytetrafluorethylen hergestellt sein.
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Die Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der
Verschiebungs-Meßvorrichtung, bei der der wohlbekannte Hall-Effekt verwendet
wird. Die Vorrichtung enthält ein Substrat aus leitfähigem Material 120, wie z.B.
eine Kupferlegierung, eine Aluminium/Kupferlegierung etc. Eine Stromquelle 124
versorgt ein Ende des Substrates 120 mit Strom, der dadurch hindurch zu dem
anderen Ende fließt. Eine Reihe von Elektrodenpaaren 128 ist auf
gegenüberliegenden Seiten entlang der Länge des Substrates 120 angebracht und mit einem
Detektor 132 gekoppelt. Ein magnetisiertes, flexibles Band 136 ist an seinem einen
Ende an einem Ende des Substrates 120 angebracht, um selektiv über das
Substrat überzurollen und von diesem abzurollen, wie vorher beschrieben wurde.
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Gemäß dem Hall-Effekt wird in einem Leiter fließender Strom von einer Seite des
Leiters gegen die andere Seite abgelenkt, wenn der Leiter einem Magnetfeld
unterworfen ist. Wenn das magnetisierte Band 136 über einem Abschnitt des
Substrates 120 liegt, wird somit in der Vorrichtung nach der Fig. 5 der von einem
Ende des Substrates zu dem anderen Ende fließende Strom in diesem Abschnitt
abgelenkt, jedoch wird er nicht in dem Abschnitt abgelenkt, in dem das Band nicht
darüberliegt. Diese Stromablenkung in der Form eines Spannungsabfalls wird durch
den Detektor 132 festgestellt, um ein Maß für jenen Abschnitt des Substrates 120
zu schaffen, der von dem Band 136 überdeckt wird, und um somit ein Maß für die
Bewegung eines Gegentandes oder eines Bauteils zu schaffen, mit dem das freie
Ende des Bandes 136 gekoppelt ist.
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Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Verschiebungs-Meßvorrichtung.
Die Vorrichtung enthält ein Paar von leitfähigen Platten 140 und 144, die einen
Entfernung D zueinander haben und mit einer Spannungsquelle und einem Detektor
148 gekoppelt sind. Zwei dielektrische Schichten 152 und 156 sind auf den
einander zugewandten Oberflächen der Platte 140 und 144 jeweils wie dargestellt
angeordnet. Ein Paar von länglichen, flexiblen und leitfähigen Bändern 160 und 164 ist
jeweils an einem Ende mit einer Seite einer jeweiligen dielektrischen Schicht 152
und 126 verbunden, und sie erstrecken sich nach vorne entlang einer jeweiligen
Schicht und dann nach innen und wieder nach hinten, wo sodann die anderen
Enden der Bänder miteinander verbunden sind, wie in der Fig. 6 gezeigt ist. Die
anderen Enden der Bänder 160 und 164 sind mit einem Gegenstand 168
gekoppelt, dessen Position und Bewegung festzustellen ist. Wenn sich der Gegenstand
zu einer Position zwischen den Platten 140 und 144 bewegt, muß sich ein größerer
Anteil der Bänder 160 und 164 jeweils über die dielektrischen Schichten 152 und
156 rollen und sich über diese legen. Wenn sich der Gegenstand 168 in einer
Richtung von dem Zwischenraum der Platten 140 und 144 weg bewegt, werden
natürlich die Bänder 160 und 164 aus der Abdeckung der jeweiligen dielektrischen
Schichten abgerollt. Eine Bewegung des Gegenstandes 168 und somit eine
Bewegung der Bänder 160 und 164 bewirkt eine Veränderung der Kapazität zwischen
den Platten 140 und 144, wobei diese Veränderung durch die
Wechselspannungsquelle und den Detektor 148 gemessen wird, der beispielsweise ein Amperemeter
enthalten kann. Die tatsächliche Anordnung der Kondensatorplatten ist graphisch
bei 172 für den Fall dargestellt, wo die Bänder 160 und 164 von dem Bereich
zwischen den Platten 140 und 144 abgerollt sind. Die tatsächliche
Kondensatoranordnung für den Fall, daß die Bänder 160 und 164 zwischen die Platten 140 und 144
eingerollt sind, ist bei 176 dargestellt. Die graphischen Darstellungen 172 und 176
zeigen den wirksamen Unterschied der Kapazität in dem Fall, daß sich die Bänder
160 und 164 zwischen den Platten 140 und 144 befinden, gegenüber dem Fall, daß
die Bänder sich nicht zwischen den Platten befinden. Somit schafft eine
Veränderung
der Kapazität zwischen den Platten 140 und 144 eine gewünschte Messung
der Bewegung und Position des Gegenstandes 168.
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Eine alternative kapazitive Meßvorrichtung nach der Fig. 6 beinhaltet die
Verwendung nur eines einzigen Bandes, beispielsweise des Bandes 160, und die
Verwendung nur einer einzigen leitfähigen Platte, beispielsweise der Platte 144,
wobei die andere Platte, beispielsweise die Platte 140, nicht leitfähig ist. Dann
würden die Spannungsquelle und der Detektor 148 weiterhin mit der Platte 144 und
zudem mit dem Band 160 verbunden sein, um eine Kapazität zwischen der Platte
144 und dem Band 160 zu entwickeln. Diese Kapazität verändert sich, wenn das
Band 160 über die nicht leitfähige Platte 140 übergerollt oder von dieser abgerollt
wird, was durch die Bewegung des Gegenstandes 168 verursacht wird, um dadurch
eine Messung der Position und Bewegung des Gegenstandes zu schaffen.
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Die Fig. 7 ist eine Seitenaufrißansicht einer Verschiebungsvorrichtung, die ein
kontinuierliches Band zum Messen von zwei Bewegungsfreiheitsgraden eines
Gegenstandes 180 verwendet. Die Vorrichtung enthält ein Substrat 184 mit zwei
FET-Sensoren 188 und 192, die linear mit Abstand auf der oberen Oberfläche des
Substrates angeordnet sind. Eine Isolationsschicht 196 ist auf dem Substrat 184
über den FET-Sensoren 188 und 192 angeordnet. Ein flexibles leitfähiges Band 200
ist in Form einer Schleife ausgebildet und auf der Isolationsschicht 196 angeordnet,
um nach vorne und zurück über einer Lage zu rollen, an der die FET-Sensoren 188
und 192 angeordnet sind.
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Wenn der Gegenstand 180 gemäß der Fig. 7-nach rechts bewegt wird, wird bewirkt,
daß das Band 200 ebenfalls nach rechts rolft, um den FET-Sensor 192 zu
überdecken und den FET-Sensor 188 freizulegen. Diese Bewegung ist natürlich durch
die Sensoren feststellbar und schafft eine Anzeige sowohl der Richtung der
Bewegung als auch der Größe der Bewegung des Gegenstandes 180. Wenn der
Gegenstand nach oben bewegt wird, wird bewirkt, daß das Band 200 von beiden
Sensoren 188 und 192 wegrollt, was ebenfalls feststellbar ist. Eine Bewegung des
Gegenstandes 180 nach links oder nach unten kann auf ähnliche Weise festgestellt
werden, so daß eine Bewegung des Gegenstandes 180 nach rechts oder nach links
und nach oben oder nach unten einfach festgestellt werden kann. Das Band 200
würde natürlich eine geeignete Ladung entweder von einer Spannungsquelle oder
von in dem Band eingebetteten Ladungen tragen, um ein elektrisches Feld zu
erzeugen.
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Obwohl die Vorrichtung nach der Fig. 7 so beschrieben wurde, daß sie FET-
Sensoren verwendet,sei hier angemerkt, daß auch andere Arten von früher
beschriebenen Sensoren verwendet werden könnten, wie z.B. MAGFETs,
kapazitive Kopplung, Elektretblätter, oder auf Hall-Effekt beruhende Sensoren.
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum
Messen der Position und der Bewegung eines Steuerstifts 204. Die Vorrichtung
enthält ein Substrat 108, auf dessen Oberfläche FET-Sensoren 212, 216, 220 und
224 wie gezeigt, entiang vier gedachter Schnittlinien angeordnet sind. Eine
Isolationsschicht 228 ist auf dem Substrat 208 über den vier Sensoren vorgesehen.
Auf dem Substrat 208 sind zwei flexible elektrisch leitfähige Bänder 232 und 236
vorgesehen, die beide in Form von Schleifen ausgebildet und einander überquerend
angeordnet sind. Der Steuerstift 204 ist gelenkig in dem Substrat 208 fixiert und
erstreckt sich nach oben durch Öffnungen in den Bändern 232 und 236, die die in
dem Band 236 ausgebildete Öffnung 240 und die in dem Band 232 ausgebildete
Öffnung 244 beinhalten. Um eine Bewegung des Steuerstifts ohne ein Verbiegen
eines der Bänder 232 und 236 zur Seite zu ermöglichen, sind die Öffnungen 240
und 244 in den jeweiligen Bändern in Querrichtung verlaufend und zueinander quer
verlaufend ausgebildet, wie in der Fig. 8 gezeigt ist. Somit kann der Steuerstift 204
gegen den Sensor 216 oder den Sensor 224 bewegt werden, um dadurch das
Band 232 zu bewegen, ohne das Band 236 zur Seite zu verbiegen. Auf ähnliche
Weise kann der Steuerstift gegen den Sensor 212 oder den Sensor 220 bewegt
werden, um das Band 236 zu bewegen, ohne Verbiegen des Bandes 232 zur Seite.
Eine solche Bewegung des Steuerstiftes 204 und somit der Bänder 232 und 236
wird durch die einzelnen Sensoren festgestellt, die ansprechen, wenn die Sensoren
überdeckt oder abgedeckt werden, wie bei den vorherigen Ausführungsformen
beschrieben wurde.
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Wieder sind die Bänder 232 und 236 aufgeladen, um, wie bei den früheren
Ausführungsformen beschrieben, elektrische Felder zu erzeugen. Zudem könnten
die Bänder 232 und 236 auf vorteilhafte Weise an unteren Abschnitten mit dem
Substrat fest verbunden werden. Schließlich könnten auch andere früher
beschriebene Sensoranordnungen mit der Vorrichtung nach der Fig. 8 verwendet
werden.
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Die Fig. 9A und 9B zeigen jeweils eine isometrische Ansicht und eine
Seitenaufrißansicht einer Vorrichtung zum Messen einer Drehverschiebung einer Welle 250. Die
Welle 250 ist so angebracht, daß sie sich in einem Substrat 255 dreht, in dem in
einer ringförmigen Anordnung ein FET-Sensor 258 mit herkömmlichen Source-,
Drain- und Kanalbereichen vorgesehen ist. Über dem FET-Sensor 258 ist auf dem
Substrat 254 eine Isolationsschicht 262 angebracht. An der Welle 250 ist über dem
Substrat eine Scheibe 266 angebracht, die sich dreht, wenn die Welle gedreht wird.
Ein flexibles elektrisch leitfähiges Band 270 ist an einem Ende an der
Isolationsschicht 262 und an dem anderen Ende an dem Boden der Scheibe 266 angebracht,
so daß bei Drehung der Welle 250 in einer Richtung (beispielsweise im
Uhrzeigersinn, von oben auf die Vorrichtung gesehen) das Band sich über den Sensor 258
legt, und bei Drehung in der entgegengesetzten Richtung das Band von dem
Sensor weg nach oben gezogen wird. Eine Drehbewegung und die Position des
Schafts 250 kann somit durch den Sensor 258 festgestellt werden.
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Die Verschiebungs-Meßvorrichtung, die in den Fig. 10A und 10B gezeigt ist,
verwendet ein durchgehend ausgebildetes Band 280, das über sich selbst
zurückgeschlagen ist, um sowohl die obere Oberfläche einer über einem Substrat 288
angebrachten Isolationsschicht 284 als auch die untere Fläche einer Scheibe 292
zu kontaktieren, die so angebracht ist, daß sie sich mit einer Welle 296 dreht. Die
Welle 296 ist so angebracht, daß sie sich in dem Substrat 288 drehen kann. Ein
FET-Sensor 300 ist allgemein so in einem Kreis ausgebildet, den man am besten in
der Fig. 10A sehen kann, daß bei Drehung der Welle 296 und somit der Scheibe
292 jener Abschnitt des Bandes 280, der sich in Kontakt mit der Scheibe 292
befindet, mit der Scheibe mitgenommen wird, so daß der untere Bereich des
Bandes fortschreitend unterschiedliche Abschnitte des Sensors 300 überdeckt bzw.
freilegt. Das Band 280 könnte zur Veranschaulichung an der unteren Oberfläche
der Scheibe 292 befestigt sein. Gleichwohl könnte mit geeignet hergestellten
Bändern das Haltern des Bandes 280 an der Oberfläche unterhalb der Scheibe
durch elektrostatische Anziehung, durch eine Oberflächenspannung mit einem
dünnen Flüssigkeitsfilm, durch Magnetisierung, etc. bewerkstelligt werden. Wenn
das Band 280 weder an der Scheibe 292 noch an der Isolationsschicht 284
angebracht ist, ist es in der radialen Richtung selbstausrichtend, d.h., es ordnet sich
automatisch mit gleichförmigen Abstand um die Welle 296 an. Die Vorrichtung nach
den Fig. 10A und 10B schafft natürlich eine Messung der Winkelposition
und - Bewegung der Welle 296, wenn dafür gesorgt wird, daß das Band 280
unterschiedliche Abschnitte des Sensors 300 überdeckt und freilegt. Andere Arten von
Sensoren, wie sie oben erörtert wurden, könnten ebenfalls anstatt des FET-Sensors
300 und anstatt des FET-Sensors 258 in der Fig. 9A verwendet werden.
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Fig. 11 und 12 zeigen Ausführungsformen einer Vorrichtung zum Messen der
Winkelbewegung und -Verschiebung jeweils von Zylindern 304 und 324. Der
Zylinder 304 in der Fig. 11 enthält leitfähige Platten 306 und 308, die an den
Außenbereichen des Zylinders angebracht oder ausgebildet sind. Ein Hohlzylinder
310 ist um den Außenbereich des drehbaren Zylinders 304 angebracht, steht
jedoch mit Abstand von diesem in einer festen Lage. Ein Paar von Platten 312 und
314 ist an der inneren Oberfläche des Hohlzylinders 310 und, wie gezeigt, mit
Abstand voneinander vorgesehen. Die Platteil 306, 308, 312 und 314 enthalten alle
eine dielektrische Materialschicht auf ihren exponierten zugewendeten Oberflächen.
Zwei flexible elektrisch leitfähige Bänder 316 und 318, die in Form von Schleifen
ausgebildet sind, sind zwischen dem Zylinder 304 und dem Zylinder 310
angeordnet, die über die innere Oberfläche des Zylinders 310 und die äußere Oberfläche
des Zylinders 304 rollen, wenn der Zylinder 304 um eine feste Achse 320 gedreht
wird. Auf ähnliche Weise, wie für die Vorrichtung nach der Fig. 6 beschrieben
wurde, verändert die sich zwischen den Platten 306 und 314, 308 und 312
entstehende
Kapazität, wenn die Bänder 316 und 318 sich jeweils zwischen den
jeweiligen Platten oder aus diesen heraus bewegen, so daß eine Messung der
Kapazität ein Maß für die Drehverschiebung und Bewegung des Zylinders 304
schafft.
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Weitere Sensoranordnungen könnten ebenfalls in dem Aufbau nach der Fig. 11
verwendet werden unter Einschluß von FETs, MAGFETs, Elektretblättern, etc.
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Wenn in der Ausführungsform nach der Fig. 12 der Zylinder 324 um eine feste
Achse 324 gedreht wird, wird bewirkt, daß ein Band 326, das in Form einer Schleife
ausgebildet ist, auf der Oberfläche eines Substrates 328 vor und zurück rollt, in der
in linear beabstandeter Beziehung zwei FET-Sensoren 330 und 332 angeordnet
sind. Die Position des Bandes 326, die durch die Sensoren 330 und 332 festgestellt
wird, schafft somit eine Anzeige der Drehposition des Zylinders 324.
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Die Fig. 13 ist eine Seitenaufrißansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung zum
Messen von zwei linearen Bewegungsfreiheitsgraden einer Platte 350 und einem
Drehbewegungsfreiheitsgrad der Platte. Die Vorrichtung enthält ein Substrat 354, in
dem auf seiner oberen Oberfläche zwei linear zueinander beabstandete Sensoren
356 und 358 ausgebildet sind. Die Platte 350 enthält in gleicher Weise an ihrer
unteren Fläche zwei linear beabstandete Sensoren 360 und 362. Ein flexibles,
elektrisch leitfähiges Band 364, das in Form einer Schleife ausgebildet ist, ist
zwischen der Platte 350. und dem Substrat 354 angeordnet, das in Seitrichtung
vorund zurückrollt und auf selektive Weise die Sensoren 356, 358, 362 und 360
bedeckt und freilegt, die dementsprechend elektrische Ausgabesignale erzeugen,
die den Betrag der Überdeckung durch das Band darstellen. Dies schafft natürlich
ein Auslesen oder Messen der Lage und der Bewegung der Platte 350. Die
Sensoren 356, 358, 360 und 362 können eine Vielzahl von Formen annehmen, wie
weiter oben erörtert wurde.
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Die Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht einer Verschiebungs-Meßvorrichtung
zum Erzeugen eines digitalen Ausgabesignals, das die Position eines flexiblen
Bandes 370 und somit eines Gegenstandes 374, an dem das Band angebracht ist,
darstellt. Ein Substrat 378 enthält eine Vielzahl von Sensoren 382, die an
ausgewählten Schnittpunkten eines gedachten Gitters auf der Oberfläche des Substrates
angeordnet sind, so daß bei Abrollen des Bandes 370 über dem Substrat
unterschiedliche Sensorkombinationen betroffen werden, und diese Kombinationen binär
kodierte Ausgabesignale erzeugen. Wenn beispielsweise nur der Sensor 382 von
dem Band 370 überdeckt wird, erzeugt dieser Sensor ein Ausgabesignal, das die
Zahl 8 darstellt. Wenn das Band 370 so bewegt wird, daß es auch die Sensoren
382b überdeckt, erzeugen sie Ausgabesignale, die die Zahl 7 darstellen, etc. Aus
diese Weise werden digitale Ausgabesignale erzeugt, die unterschiedliche
Positionen des Bandes 370 über dem Substrat 378 und somit unterschiedliche Positionen
des Gegenstandes 374 darstellen.
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Die Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die ebenfalls
diskrete Ausgabeinkremente erzeugt, die die Bewegung oder Position eines
flexiblen Bandes 390 und somit eines Gegenstandes 394 darstellen. Auf einem
Substrat 398 ist eine Vielzahl von Drainbereichen 402 angeordnet, die mit einer
Vielzahl von Sourcebereichen 408 ineinandergreifen. Die Drainbereiche 402 sind
mit einem gemeinsamen Leiter 410 verbunden, und die Sourcebereiche 406 sind
ebenfalls mit einem gemeinsamen Leiter 414 verbunden. Zwischen jedem der
nebeneinanderliegenden Drainbereiche und Sourcebereiche sind Kanalbereiche 418
angeordnet, die auf wirksame Weise eine Vielzahl von FETs bestimmen, die in
einem linearen Feld auf dem Substrat 398 angeordnet sind. Wenn
aufeinanderfolgende Kanalbereiche 418 durch das Band überdeckt oder freigelegt werden,
ändert sich der Stromfluß in den Leitern 410 und 414, wodurch somit eine Anzeige
der Position des Bandes 390 und somit des Gegenstandes 394 geschaffen wird.
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In der Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen
eines nichtlinearen Ausgabesignais in Abhängigkeit von einer Bewegung eines
Bandes 420 dargestellt. Auf einem Substrat 424 ist ein Feldeffekttransistor mit
einem Drainbereich 428, einem Sourcebereich 432 und einem dazwischen
angeordneten Kanalbereich 436 vorgesehen. Der Kanalbereich 436 verändert sich in
der Breite, wobei er an dem Ende des Substrates 224 am breitesten ist, das dem
gegenüberliegt, an dem das Band 420 angebracht ist, und sich allmählich nach
innen hin in Richtung auf das Ende des Substrates verjüngt, an dem das Band
angebracht ist. Der Drainbereich 428 und der Sourcebereich 432 erstrecken sich im
allgemeinen parallel zu den jeweiligen Seiten des Kanalbereichs 436, wie in der
Fig. 16 gezeigt ist. Wenn das Band 420 so bewegt wird, daß es das Substrat 424
überdeckt, werden zunehmend breitere Abschnitte des Kanalbereichs 436 durch
das Band überdeckt, so daß die Stromänderung mit der Bewegung des Bandes
nichtlinear ist. Natürlich könnte der Kanalbereich 436 auch so ausgebildet sein, daß
er sich in der entgegengesetzten Richtung verjüngt, um ein unterschiedliches
nichtimeares Ausgabesignal in Abhängigkeit von der Bewegung des Bandes zu
schaffen. Weitere andere Formen für den Kanalbereich könnten ebenfalls
ausgewählt werden, um nichtimeare Ausgabesignale zu erzeugen.
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Die Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform einer Verschiebungs-Meßvorrichtung, die
kein flexibles Band verwendet. Statt dessen wird eine keilförmige, mit elektrischer
Energie versehene Platte 430 verwendet. Die Platte 430 ist oberhalb eines
Substrates 434 aufgehängt (z.B. durch Anbringen an einem Gegenstand, dessen
Position zu messen ist), um sich nach vorne oder zurück in einer Richtung quer zu
dem Substrat zu bewegen, wenn der Gegenstand, an dem die Platte angebracht
wäre, bewegt wird. Die Platte 430 ist mit einer Spannungsquelle 438 gekoppelt, um
dadurch in einen Zustand mit elektrischer Energie versetzt zu werden. Das Substrat
434 enthält einen FET mit einem Sourcebereich 442, einem Kanalbereich 446 und
einem Drainbereich 450. So lange die Platte 430 kontaktfrei zu dem Substrat 434
gehalten wird, wäre keine Isolationsschicht notwendig, obwohl es als
Vorsichtsmaßnahme wahrscheinlich ratsam wäre, diese als Überzug auf dem Substrat
vorzusehen.
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Wenn die Platte 430 in der Richtung der Spitze der Platte (nach vorne) bewegt
wird, überdeckt ein größeres Gebiet der Platte den Kanalbereich 446 des FET, wie
man aus der Fig. 17 sehen kann, und dies bewirkt natürlich eine Veränderung in
der Leitfähigkeit zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich. Wenn die
Platte 430 in der entgegengesetzten Richtung (nach hinten) bewegt wird, bedeckt
die Platte 430 den Kanalbereich 446 in geringerem Maße, so daß wieder eine
Veränderung in der Leitfähigkeit zwischen dem Source- und dem Drainbereich
auftritt. Diese Veränderung in der Leitfähigkeit ist feststellbar, wodurch die Position der
Platte 430 und somit des Gegenstandes, mit dem sie verbunden ist, bestimmbar ist.
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Die Fig. 18 und 19 sind perspektivische Ansichten von Ausführungsformen einer
Drehverschiebungs-Meßvorrichtung, die keine flexiblen Bänder verwendet. Die
Vorrichtung nach der Fig. 18 zeigt eine Achse oder eine Welle 460, die an einem
Gegenstand anzubringen wäre, dessen Winkelposition und Verschiebung zu
messen ist. Die Welle 460 ist so in einem Substrat 464 angebracht, daß sie um ihre
Längsachse drehbar ist. Ein Arm 468 mit einem keilförmigen Querschnitt ist an der
Welle 460 so angebracht, daß er sich seitlich erstreckt und damit sich mitdreht,
wobei die Spitze des Keils einen Strichladungseffekt erzeugt, der nach unten gegen
das Substrat 464 gerichtet ist. Der Arm 468 ist mit einer Spannungsquelle 472
gekoppelt und erhält davon eine elektrische Ladung. Alternativ dazu könnte der Arm
468 eine elektrostatische Ladung beispielsweise als Folge von in dem Arm
eingebetteten Elektronen tragen. Eine Vielzahl von FET-Sensoren ist im allgemeinen in
Form eines Kreises unter dem Bewegungspfad des Arms 468 angeordnet.
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Wenn die Welle 460 (aufgrund einer Bewegung eines Gegenstandes, mit dem sie
verbunden ist) gedreht wird, wird bewirkt, daß der Arm 468 über unterschiedliche
Sensoren 476 streicht, die das von dem Arm ausgehende elektrische Feld
feststellen, wodurch ein die Position des Arms anzeigendes Signal erzeugt wird.
Offensichtiich wäre derjenige sensor 476, der das stärkste Signal erzeugt, der
Sensor, über dem der Arm 468 positioniert ist.
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Obwohl die Sensoren 476 so gezeigt sind, daß zwischen ihnen auf einem Substrat
468 ein bestimmter Abstand besteht, könnten die Sensoren eine Vielfalt von
Größen und Abständen aufweisen, wobei mehr Sensoren eine größere
Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Drehlage der Welle 460 schaffen würden.
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Die in Fig. 19 gezeigte Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls
für die Messung einer Drehverschiebung einer Welle 480 geeignet, die in einem
Substrat 484 um ihre Längsachse drehbar angebracht ist. Eine halbkreisförmige
Platte 488, der durch eine Spannungsquelle 492 eine elektrische Ladung
zugeliefert wird, ist an der Welle 480 so angebracht, daß sie sich mit dieser mitdreht.
Wie der Arm 468 dreht sich die Platte 488 über der oberen Fläche des Substrates
484. In der oberen Fläche des Substrates 484 sind vier FET-Sensoren 496, 500,
504 und 508 ausgebildet. Jeder der FET-Sensoren ist in Form eines Halbkreises
(mit sich parallel erstreckenden Source-, Drain- und Kanalbereichen) ausgebildet,
der zu wenigstens einem Abschnitt der beiden anderen Sensoren konzentrisch ist.
Somit umfaßt der Sensor 496 einen Abschnitt des Sensors 500 und einen Abschnitt
des Sensors 508, während der Sensor 504 die anderen Abschnitte der Sensoren
500 und 508 umfaßt. Wenn die Platte 488 gedreht wird, wird sie immer Abschnitte
von wenigstens drei der FET-Sensoren überdecken, und in den meisten Positionen
wird sie Abschnitte von sämtlichen vier Sensoren überdecken.
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Beim Betrieb erzeugen die FET-Sensoren 496, 500, 504 und 508 Signale, die das
Anteilsverhältnis, in welchem der Sensor durch das von der Platte 488 erzeugte
elektrische Feld beeinflußt wird, und somit den Bereich des Sensors anzeigen, der
von der Platte überdeckt wird. Die Signale wiederum bestimmen die Winkellage der
Welle 488 und somit die Winkellage des Gegenstandes, mit dem die Welle
verbunden ist.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen betreffen wieder Vorrichtungen, die
in dieser Anmeldung nicht beansprucht sind.
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Die Fig. 20, 21 und 22 zeigen alle bandgesteuerte Wandler, die eine optische
Abtastung verwenden. In der Fig. 20 richtet eine Lichtquelle 520 Licht nach unten
gegen ein Substrat 524, über dessen oberer Fläche ein lichtundurchlässiges Band
528 so angeordnet ist, daß es überrollt und wegrollt, wenn ein Gegenstand, mit
dem das Band verbunden ist, bewegt wird. In der oberen Oberfläche des
Substrates 524 ist eine längliche Fotozelle 532 ausgebildet, die ein an einen Detektor
538 geliefertes Ausgabesignal erzeugt, dessen Stärke proportional zu der auf der
Fotozelle auftreffenden Lichtmenge ist. Wenn das Band 528 überrollt, um die
Fotozelle 528 abzudecken, und wegrollt, um sie freizulegen, verändert sich die
Menge von durch das Band abgeblocktem Licht und somit die Menge von auf die
Fotozelle 532 auftreffendem Licht, wodurch eine Veränderung in dem
Ausgabesignal aus der Fotozelle hervorgerufen wird. Dieses Ausgabesignal schafft somit ein
Maß für die Position des Bandes 528 über der Fotozelle und somit für die Position
des Gegenstandes, mit dem das Band verbunden ist.
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Die Fig. 21 zeigt eine alternative Ausführungsform einer
Verschiebungs-Meßvorrichtung, die eine optische Messung verwendet. Hier enthält ein Substrat 540 eine
Vielzahl von lichtemittierenden Dioden 548, die in der oberen Fläche des
Substrates ausgebildet sind, und die durch eine Stromquelle 548 mit Energie versorgt
werden. Ein flexibles lichtundurchlässiges Band 552 ist an einem Ende mit einem
Ende des Substrates 540 an der oberen Fläche verbunden, um über die
lichtemittierenden Dioden 544 überzurollen und von diesen wegzurollen, wenn ein
Gegenstand, mit dem das Band gekoppelt ist, bewegt wird. Licht aus den
lichtemittierenden Dioden 544 wird nach oben geworfen, wenn es nicht durch das Band 552
abgeblockt wird, wo es durch eine Fotozelle 556 nachgewiesen wird. Wie bei der
Ausführungsform nach der Fig. 20 erzeugt die Fotozelle 556 ein Ausgabesignal,
dessen Stärke proportional zur darauf auftreffenden Lichtmenge ist, und dieses
Ausgabesignal wird von einem Detektor 560 festgestellt. Wenn das Band 552 über
das Substrat 540 und die lichtemittierenden Dioden 544 übergerollt wird und davon
weggerolft wird, können somit veränderliche Lichtmengen die Fotozelle 556
erreichen, wodurch die Stärke des Ausgabesignals aus der Fotozelle verändert
wird. Dieses Ausgabesignal schafft somit eine Anzeige für die Position des Bandes
552 über dem Substrat 554 und somit eine Messung für die Position des
Gegenstandes, mit dem das Band verbunden ist.
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Die Fig. 22 zeigt eine Seitenaufrißansicht einer weiteren Ausführungsform einer
Verschiebungs-Meßvorrichtung, die eine optische Messung verwendet. Hier enthält
ein Substrat 570 eine Vielzahl von Fotozellen 574, die auf dessen oberer Fläche
angeordnet sind. Ein flexibles lichtreflektierendes Band 78 ist an einem Ende mit
einem Ende der oberen Fläche des Substrates 570 verbunden, um über dessen
obere Oberfläche zu rollen und von dieser wegzurollen, wenn ein Gegenstand 582,
an dem das Band angebracht ist, bewegt wird. Eine Lichtquelle 586, beispielsweise
eine Laserlichtquelle, lenkt einen Lichtstrahl 588 gegen das Band 578 an eine
Stelle, die das Licht in einen nach unten gegen die obere Oberfläche des
Substrates 570 gerichteten Strahl reflektiert. Es wird somit bewirkt, daß der Lichtstrahl
auf eine der Fotozellen 574 auftreffen wird, in Abhängigkeit von der Position des
Bandes 578 und somit in Abhängigkeit der Position des Gegenstandes 582. Die
Fotozelle, auf die der Lichtstrahl auftrifft, erzeugt natürlich ein Ausgabesignal, das
den Empfang von Licht anzeigt, und somit ein Signal, das die Position des Bandes
578 und des Gegenstandes 582 anzeigt.
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Es sei bemerkt, daß, wenn jeweils Fotozellen in den Ausführungsformen in den Fig.
20 und 21 als einzelne Fotozelen gezeigt werden, auch eine Reihe von einzelnen
Fotozellen verwendet werden kann. Zudem ist eine Reihe von lichtemittierenden
Dioden 544 in der Fig. 21 gezeigt, wobei jedoch auch ein kontinuierlicher
Lichtstreifen verwendet werden könnte.
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Die Fig. 23 ist eine Seitenaufrißansicht eines bandgesteuerten Wandlers, der eine
akustische Messung verwendet. Hier ist ein Band 590 an einem Ende mit einem
Substrat 592 und an dem anderen Ende mit einem Gegenstand 594 verbunden,
dessen Position und Bewegung zu messen ist. Im allgemeinen an einem Ende des
Substrates 592 in der Richtung, in der das Band 590 über das Substrat abrollen
würde, ist eine Sonarsignalquelle 596 zum Übertragen akustischer Signale gegen
das Band und ein akustischer Detektor 598 zum Nachweisen von von dem Band
zurückreflektierten Signalen vorgesehen. Der Detektor 598 stellt die Laufzeit der
akustischen Signale fest, die natürlich von der Position des Bandes 590 und somit
der Position des Gegenstandes 594 abhängt. Natürlich gibt es keine Notwendigkeit
für jegliche auf dem Substrat vorgesehene Nachweiselemente, da der Nachweis der
Position des Bandes 590 durch die akustische Signalquelle 596 und den Detektor
598 erzielt wird.
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Die Fig. 24, 25, 26, 27, 28 und 29 zeigen sämtlich besondere Anwendungsformen
für die Verwendung der vorher beschriebenen bandgesteuerten Wandler. Die Fig.
24 ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Verschiebungs-Meßvorrichtung,
die zum Wiegen verwendet wird. Hier verbindet eine Feder 600 ein bewegbares
Element 604 mit einer fixierten Halterung 608. Eine Halteplatte zum Halten des zu
wiegenden Gegenstandes 616 ist über Verbindungsdrähte 620 mit einem
bewegbaren Element 604 gekoppelt. Ein Substrat 624 enthält einen in der Oberfläche 628
ausgebildeten Sensor, über dem ein flexibles Band 632 so angebracht ist, daß es
darüber hinwegrollt und von diesem abrollt, wie bei den vorherigen
Ausführungsformen erläutert wurde. Ein Ende des Bandes 632 ist an dem unteren Ende des
Substrates 624 angebracht und das andere Ende des Bandes ist an dem
beweglichen Element 604 angebracht, um das gewünschte Überrollen und Wegrollen des
Bandes zu ermöglichen. Das Substrat 624 mit dem Sensor 628 ist mit einer
Anzeigevorrichtung 636 gekoppelt, um eine die Stärke des Ausgabesignais aus
dem Sensor darstellende Auslesung und somit eine Auslesung für das Gewicht des
Gegenstandes 616 zu schaffen.
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Die Fig. 25 ist eine Seitenaufrißansicht einer Temperaturmeßvorrichtung. Ein
Substrat 650 enthält einen Sensor 654, der in dessen oberer Oberfläche
ausgebildet ist. Ein flexibles Band 658 mit einem ersten thermischen
Ausdehnungskoeffizienten ist an einem Ende mit einem Ende des Substrates 650 verbunden und liegt
über einem Abschnitt des Substrates. Ein zweites Band 662 mit einem zweiten
thermischen Ausdehnungskoefflzienten liegt über dem zuerst erwähnten Band 658.
Eine Spannungsquelle 666 ist an das Band 658 gekoppelt, um darauf eine Ladung
bereitzustellen.
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Wenn die Umgebungstemperatur, der die Vorrichtung nach der Fig. 25 unterworfen
ist, sich ändert, wird bewirkt, daß sich die Bänder 658 und 662 in unterschiedlichem
Maße ausdehnen, wodurch ein Einrollen oder Ausrollen der beiden Bänder auf der
Oberfläche des Substrates 650 bewirkt wird. Wenn beispielsweise der thermische
Ausdehnungskoeftizient des Bandes 650 größer ist als der des Bandes 662,
werden bei einem Temperaturanstieg die beiden Bänder dazu neigen, sich von dem
Substrat 650 wegzurollen. Wenn das Band 658 über den Sensor 654 überrollt, oder
von diesem wegrollt, werden natürlich die Ausgabesignale von dem Sensor sich
verändern, wodurch die Position des Bandes 658 und somit die
Umgebungstemperatur angezeigt wird.
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Die Fig. 26 zeigt eine Vorrichtung zum Messen einer Winkeage zwischen zwei
länglichen Elementen 680 und 684. Die Elemente 680 und 684 sind an einem Ende
in einem Gelenk um einen Anlenkpunkt 688 verbunden. Lineare Sensoren 690 und
694 sind jeweils an den Elementen 680 und 684 angebracht und ein flexibles in
einen elektrisch oder magnetisch energiereichen Zustand versetztes Band 698 ist
an seinen beiden Enden mit den Elementen 680 und 684 derart verbunden, daß
sich das Band nach innen erstreckt und über einem Abschnitt der Sensoren 690
und 694 in einer Bogenform liegt. Wenn die Elemente 680 und 684 näher
zusammengeschwenkt werden, liegt das Band 698 vermehrt über den Sensoren 690
und 694, und wenn die Elemente voneinander weggeschwenkt werden, liegt das
Band zu einem geringeren Maß über den Sensoren. Die Sensoren 690 und 694
stellen die Nähe des Bandes 698 fest und erzeugen die relative Lage der Elemente
680 und 684 anzeigende Signale, wie für die vorherigen Ausführungsformen
erläutert wurde.
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Die Fig. 27 zeigt eine alternative Wiegevorrichtung, die ein Substrat 704 enthält mit
einem auf dessen oberer Fläche ausgebildeten Sensor 708. Eine Plattform 712 ist
auf Federn 716 und 720 so angebracht, daß sie eine Position im allgemeinen
parallel zu und oberhalb des Substrates 704 aufrechterhält. Ein flexibles Band 724 ist
an einem Ende mit einem Ende des Substrates 704 und an dem anderen Ende mit
einem Ende der Plattform 712 verbunden. Wenn ein Gegenstand 728 auf die
Plattform 712 gelegt wird, um gewogen zu werden, wird die Plattform dazu
gezwungen, daß sie sich nach unten näher zu dem Substrat 704 bewegt, wodurch
bewirkt wird, daß das Band 724 über den Sensor 708 überrollt und diesen vermehrt
abdeckt. Das Gewicht des Gegenstandes 728 bestimmt das Ausmaß, in dem das
Band 724 den Sensor 708 abdeckt, was durch den Sensor festgestellt wird, der in
einer Auslesevorrichtung 732 eine Auslesung für das Gewicht des Gegenstandes
schafft.
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Die Fig. 28 ist eine Seitenaufrißansicht eines Beschleunigungs-Meßgerätes, das ein
Substrat 750 enthält mit einem in dessen oberer Fläche ausgebildeten Sensor 754.
Ein Band 758 ist, wie vorher beschrieben, an dem Substrat 750 angebracht und ist
an dem freien Ende an einer Masse 762 angebracht. Die Masse ist ihrerseits über
eine Feder 766 mit einem starren Halterungsteil 770 gekoppelt, das an dem
Substrat 750 angebracht ist. Wenn die Vorrichtung nach der Fig. 28 nach links oder
nach rechts beschleunigt wird, wird bewirkt, daß sich die Masse entsprechend nach
links oder nach rechts bewegt, in Abhängigkeit von der Stärke der Beschleunigung
(und der Steifheit der Feder 766), und diese Bewegung bewirkt wiederum, daß das
Band 758 über den Sensor 754 überrollt oder von diesem wegrollt, welcher die
Bewegung feststellt. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung der Vorrichtung
aus der Fig. 28 gemessen werden. Die Feder 766 bringt die Masse 762 wieder in
eine Ruheposition, wenn keine Beschleunigung auftritt.
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Schließlich zeigt die Fig. 29 eine Seitenaufrißansicht einer Vorrichtung zum Messen
der Geschwindigkeit eines Gegenstandes 780. Wenn der Gegenstand 780 mit einer
bestimmten Geschwindigkeit nach links oder rechts bewegt wird, wird bewirkt, daß
ein Band, das an dem Gegenstand angebracht ist, mit der Hälfte der
Geschwindigkeit der Bewegung des Gegenstandes über ein Substrat 786 überrollt oder von
diesem wegrollt. Das Band ist aus einem leitfähigem Material hergestellt und über
einen Widerstand 788 und ein Amperemeter 790 mit einer Gleichstromquelle 792
gekoppelt. Die andere Seite der Stromquelle 792 ist mit einer leitfähigen Platte 794
gekoppelt, die auf dem Substrat 786 angeordnet ist. Eine dielektrische Schicht 796
liegt über der leitfähigen Platte 794 und ist unter dem Band 784 angeordnet. Die
Stromquelle 792 erzeugt eine Kapazität zwischen der Platte 794 und dem Teil des
Bandes 784, der über der dielektrischen Schicht 796 liegt. Wenn der Gegenstand
780 mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach links oder rechts in der Fig. 29 in
Bewegung versetzt wird, überdeckt das Band 784 die dielektrische Schicht 796
oder legt sie frei mit der Hälfte dieser Geschwindigkeit, wodurch eine Veränderung
in der Kapazität zwischen dem Band und der Platte 794 hervorgerufen wird. Diese
Änderung, die proportional zu der Geschwindigkeit des Gegenstandes 780 ist,
bewirkt, daß ein Strom durch den Widerstand 788 fließt, und dieser Strom wird
durch das Amperemeter 790 festgestellt, wodurch ein Maß für die Geschwindigkeit
des Gegenstandes 780 geschaffen wird. Andere Anordnungen zum Messen von als
Folge einer Änderung in der Kapazität erzeugtem Strom könnten ebenfalls
verwendet werden, wie früher erläutert wurde.
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Die Fig. 30 und 31 zeigen perspektivische Ansichten von
Verschiebungs-Meßvorrichtungen, die eine elektrische Widerstandsveränderung verwenden, um die
Positionsverschiebung eines Gegenstandes festzustellen, der mit einem Ende eines
flexiblen Bandes verbunden ist. In der Fig 30 ist das Band 800 an einem Ende
über einem Substrat 804 angebracht, um darüber überzurollen und wegzurollen.
Das freie Ende des Bandes wird an dem Gegenstand (nicht gezeigt) angebracht,
dessen Bewegung festzustellen ist. In der oberen Oberfläche des Substrates 804
sind zwei Streifen 808 und 812 aus Widerstandsmaterial ausgebildet, die sich im
allgemeinen parallel zueinander in beabstandeter Beziehung in Längsrichtung auf
dem Substrat erstrecken. Der Widerstandsstreifen 808 ist mit einer Stromquelle 816
gekoppelt, und der Widerstandsstreifen 812 ist mit einem Amperemeter 820 und
dann mit der Stromquelle 816 gekoppelt. Das Band 800 ist aus einem leitfähigem
Material hergestellt, so daß Strom von der Stromquelle 816 durch den Abschnitt
des Widerstandsstreifens 808, der nicht in Kontakt mit dem Band ist, durch das
Band zu dem Widerstandsstreifen 812 und dann durch das Amperemeter zurück zu
der Stromquelle fließt. Je größer die Länge der Widerstandsstreifen 808 und 820
ist, durch die der Strom fließen muß, um so niedriger ist der Strom, weil der
Widerstand in dem Flußpfad größer ist, und umgekehrt. Wenn das Band 800 somit
zum Überrollen und Wegrollen über die Widerstandsstreifen 808 und 812 veranlaßt
wird, wird bewirkt, daß der Widerstand in dem Flußpfad sich ändert, was zu einer
Veränderung in dem durch das Amperemeter 820 fließenden Strom führt, wobei
diese Veränderung gemessen wird, um dadurch ein Maß für die Position des freien
Endes des Bandes 800 zu schaffen. Die Widerstandsstreifen könnten zur
Veranschaulichung aus auf Polymerstreifen (z.B. Mylar) abgelagertem Chrom-Nickel
hergestellt sein, die auf der oberen Fläche des Substrates 804 angebracht sind.
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Nach der Fig. 31 ist ebenfalls eine Messung der Position des freien Endes des
Bandes 830 unter Verwendung einer elektrischen Widerstandsveränderung möglich.
Hier ist das Band 830 an einem Ende an einem Substrat 834 angebracht, an
dessen oberer Fläche zwei leitfähige Streifen 838 und 842 (z.B. aus Metall) wie
gezeigt im allgemeinen in zueinander paralleler Anordnung vorgesehen sind. Der
leitfähige Streifen 838 ist mit einer Stromquelle 846 gekoppelt, und der leitfähige
Streifen 842 ist über ein Amperemeter 850 mit der anderen Seite der Stromquelle
gekoppelt. Das Band 830 ist aus einem flexiblen Widerstandsmaterial hergestellt,
um Strom zwischen den leitfähigen Streifen 838 und 842 zu leiten, wobei jedoch
ein vorbestimmter Widerstand vorhanden ist. Ein Strompfad ergibt sich gemäß der
Vorrichtung nach der Fig. 31 von der Stromquelle 846 durch den leitfähigen Streifen
838 und über jenen Abschnitt des Bandes 830, der in Kontakt mit den beiden
leitfähigen Streifen ist, zu dem leitfähigen Streifen 842 und dann durch das
Amperemeter 850 zurück zu der Stromquelle. Wenn das freie Ende des Bandes
830 zur Bewegung veranlaßt wird, rollt das Band über die leitfähigen Streifen 838
und 842 oder rollt von diesen weg, wobei der Gesamtwiderstand des
Stromflußpfades zwischen den beiden Streifen verändert wird, und bei dieser
Widerstandsveränderung der Strom durch das Amperemeter 850 sich ebenfalls verändern muß,
wodurch ein Maß für die Position des freien Endes des Bandes 830 geschaffen
wird. Das Widerstandsband 830 könnte zur Veranschaulichung aus auf einer
dünnen Folie aus Polymermaterial abgeschiedenem Nickel-Chrom, aus
graphitgefülltem Gummi etc. hergestellt sein.
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Wie beschrieben, messen beide in den Fig. 30 und 31 gezeigten Vorrichtungen die
Position und Verschiebung eines Gegenstandes, der mit einem flexiblen Band
verbunden ist, unter Verwendung einer elektrischen Widerstandsveränderung in
einem Stromflußpfad.
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Die Fig. 32 zeigt eine Seitenaufrißansicht einer Art einer Nullbandsensorvorrichtung,
bei der eine längliche Masse oder ein Streifen 860 zwischen zwei Schleifen 864
und 868 aus leitfähigen Bändern brückenförmig aufgelegt und mit diesen verbunden
ist. Die Bandschleife 864 ist so angeordnet, daß sie eine Überbrückung zwischen
zwei leitfähigen Platten 872 und 876 darstellt, die auf einem Substrat 874
angebracht sind. Die Platten 872 und 876 sind jeweils mit Spannungsquellen 878 und
880 verbunden. Die Stärke des durch die Spannungsquellen 878 und 880 an die
jeweiligen Platten 872 und 876 gelieferten Spannungssignals wird durch eine
Servologikschaltung 884 gesteuert, die Eingaben von den Sensoren 886 und 888
erhält, die in einer linear im Abstand stehenden Position auf der oberen Fläche des
Substrates 890 ausgebildet sind. Die Sensoren 886 und 888 können in den vorher
beschriebenen Arten ausgeführt sein.
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Wenn beim Betrieb die Masse 860, beispielsweise durch eine darauf angewendete
Kraft, durch Beschleunigung der Vorrichtung nach der Fig. 32, etc. zu einer
Bewegung nach links oder nach rechts in der Fig. 32 veranlaßt wird, wird bewirkt,
daß die Bänder 864 und 868 über die jeweiligen Substrate, auf denen sie
angebracht sind, rollen, und die Bewegung des Bandes 868 wird durch die Sensoren
886 und 888 gemessen, die eotsprechend ein Signal an die Servologikschaltung
884 bereitstellen. Die Servologikschaltung 884 steift in Erwiderung auf die Signale
von den Sensoren Signale an die Spannungsquellen 878 und 880 bereit, um eine
elektrostatische Anziehung in einer entsprechenden Platte 872 und 876 zu
erzeugen, um die leitfähige Bandschleife 864 anzuziehen und zu bewirken, daß sie zu
einer Ruhe- oder Nullposition zurückrollt. Wenn sich somit die Masse 860 nach
links bewegt hat, wird die Platte 876 angesteuert, um das Band 864 anzuziehen,
um zu bewirken, daß es zurück zu der Nulposition in der Mitte zwischen den
Platten 872 und 876 rollt, und umgekehrt. Auf die beschriebene Weise wird ein
Nullpositlonsbeschleunigungs (oder anderer Kraft-)Sensor geschaffen.